三面采空小煤柱超長孤島工作面防沖技術研究

劉俊旭

(國能蒙西煤化工股份有限公司 棋盤井煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016064)

隨著我國煤炭資源開發(fā)向西部轉(zhuǎn)移，西部礦井的煤層開采深度正逐年增加，開采條件也變得愈加復雜，在中東部深埋礦井出現(xiàn)的煤層沖擊地壓現(xiàn)象也開始在西部礦井開采過程中顯現(xiàn)[1-2]，嚴重威脅煤炭安全生產(chǎn)，制約了煤炭資源的高效開發(fā)。孤島工作面由于應力集中程度較高、頂板運動強烈、能量釋放程度較大，極易引發(fā)沖擊地壓動力災害[3-4]，整個回采期間一直都是煤炭生產(chǎn)企業(yè)的安防重點。國內(nèi)外專家學者針對孤島工作面安全回采已經(jīng)展開大量研究并取得了一定的顯著成果，然而對于我國西部孤島工作面的研究成果較少[5-6]。因此，有必要對西部礦區(qū)孤島工作面安全回采展開進一步深入研究，提出有效的孤島工作面防沖措施，對于相同地質(zhì)條件下孤島工作面沖擊地壓防治具有重要的實踐指導意義。

1 工程地質(zhì)條件

棋盤井煤礦隸屬國家能源集團煤焦化公司，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市。主采的9號煤層平均厚度為3.17 m，含2～3層夾矸，煤層結構相對復雜。9號煤層經(jīng)專家和機構鑒定無沖擊傾向性，但在高應力集中影響下，仍存在一定的沖擊危險。I020908工作面標高為+833～+909 m，地面標高為+1 374～+1 391 m。工作面傾向長度300 m，走向推進長度1 050 m。該工作面南鄰I020901工作面采空區(qū)，北鄰I020905工作面采空區(qū)，東臨I010906工作面采空區(qū)，是該礦井第一個三面采空孤島工作面，工作面布置如圖1所示。工作面運輸巷在掘進過程中,多處揭露落差均小于3.0 m斷層，煤層頂?shù)装逄卣魅绫?所示。

圖1 工作面布置

表1 煤層頂?shù)装逄卣?/p>

2 工作面沖擊危險性分析

針對工程地質(zhì)條件和現(xiàn)場調(diào)研結果進行系統(tǒng)分析可知，I020908孤島工作面沖擊危險性影響因素主要有以下方面：

1) 煤層埋藏深度。I020908工作面平均埋藏深度為450 m，根據(jù)國內(nèi)外專家學者研究結果和大量的工程試驗數(shù)據(jù)可知：當工孤島作面開采深度大于400 m時，發(fā)生沖擊地壓的危險性可能性就會大大提高[7-8]。

2) 頂?shù)装鍘r性。9號煤層頂?shù)装鍘r性普遍較軟，在兩側(cè)工作面回采的側(cè)向支承壓力的疊加影響下，煤巖體靜載加大，圍巖極易發(fā)生失穩(wěn)。

3) 地質(zhì)構造。兩巷掘進期間揭露多處斷層，在斷層構造區(qū)域，應力重新調(diào)整，構造應力分布相對復雜，對斷層周圍的擾動作用較大。

4) 應力集中。I020908工作面三面皆是采空區(qū)，存在高應力集中區(qū)，致使孤島工作面回采過程中沖擊地壓發(fā)生的危險性增大[9-11]。

5) 采空區(qū)“見方”。隨著I020908工作面的回采，該工作面采空區(qū)見方，以及與鄰近工作面采空區(qū)形成“雙工作面”開采面積見方，甚至“三工作面”開采面積見方時，此時較高位巖層活動量會進一步增大[12-13]，造成工作面前方頂板彎曲彈性能增大，煤壁前方支承壓力范圍更大，應力峰值更高，從而導致工作面附近沖擊危險性增大。

因此，對于I020908工作面而言，集中靜載荷發(fā)生作用的因素較多包括：開采深度、兩側(cè)采空、地質(zhì)構造和停采期間影響等因素，其危險程度相對較高。動載荷的影響因素主要為回采期間頂板斷裂帶來的沖擊動載影響。

總體來看，I020908孤島工作面沖擊地壓的發(fā)生以煤巖層產(chǎn)生積聚的靜載荷為主要力源，而回采擾動產(chǎn)生的動載荷，存在誘發(fā)沖擊地壓的可能性。

由于回采工作面面臨三面采空區(qū)且開采強度較大，造成I020908工作面礦壓顯現(xiàn)嚴重。采用綜合指數(shù)法進行沖擊危險評價[14]可知：工作面開采期間具有弱沖擊危險性，需要采取相應的防治措施。

3 孤島工作面應力特征

根據(jù)I020908孤島工作面賦存地質(zhì)條件，利用FLAC3D軟件，建立長×寬×高=980 m×420 m×340 m的數(shù)值模型，相鄰工作面間留設6 m保護煤柱，模型四周及底部采用位移法固定，計算模型如圖2所示。數(shù)值模擬采用的煤巖體力學參數(shù)如表2所示。

圖2 數(shù)值計算模型

表2 煤巖體力學參數(shù)

利用建立的計算模型將I020908工作面兩側(cè)開挖并計算平衡后，工作面及采空區(qū)垂直應力分布特征如圖3所示。

由圖3可知：隨著采空區(qū)垮落矸石被逐漸壓實，采空區(qū)上方應力分布重新調(diào)整，然而，兩側(cè)工作面回采造成的側(cè)向支承應力集中情況依然存在，應力峰值影響區(qū)域向I020908工作面延伸。因此， I020908孤島工作面鄰近采空區(qū)區(qū)域仍是高應力的集中區(qū)域，也是沖擊地壓防治工作的重點區(qū)域。

圖3 垂直應力云圖

I020908工作面回采期間主要考慮地質(zhì)構造、工作面頂板來壓、相鄰采空區(qū)影響，結合數(shù)值模擬情況分析，最終確定沖擊危險區(qū)域如圖4所示。

圖4 I020908工作面沖擊危險區(qū)域

4 沖擊地壓監(jiān)測及治理措施

4.1 監(jiān)測預警系統(tǒng)

根據(jù)各監(jiān)測手段的監(jiān)測機理和所監(jiān)測沖擊地壓啟動能量來源的分布范圍，并結合棋盤井礦井現(xiàn)有監(jiān)測設備，確定采用以采動應力監(jiān)測作為主要的實時在線監(jiān)測方法，同時選用鉆屑法進行輔助檢測。

采動應力監(jiān)測主要針對I020908工作面超前影響區(qū)域，自工作面開切眼前方30 m處，超前180范圍兩巷各安裝應力計6臺，孔深為9 m，間距30 m。超前工作面180 m以外安裝壓力枕，兩巷各設計28個，共計68個測點。隨工作面推進，及時拆卸前移，保證覆蓋超前工作面180 m范圍內(nèi)沖擊危險區(qū)域，壓力傳感器初始值設定為5 MPa。

鉆屑法是在工作面超前100 m范圍內(nèi)，通過在煤層中打直徑為42～45 mm的鉆孔，根據(jù)排出的煤粉量及其變化規(guī)律和有關動力效應，鑒別沖擊危險。

監(jiān)測孔布置在膠運、回風巷道回采幫，預警及顯現(xiàn)區(qū)域鉆孔間距10 m，其他區(qū)域鉆孔間距30 m，鉆孔距底板1.2～1.5 m。布置示意如圖5所示。

圖5 I020908鉆屑孔布置示意

4.2 沖擊地壓防治技術

根據(jù)I020908工作面沖擊危險區(qū)域，對I020908工作面前方300 m范圍內(nèi)的危險區(qū)域施工大直徑卸壓鉆孔。通過實施大直徑鉆孔，造成巷道一定深度圍巖發(fā)生結構性破壞，形成一個弱化帶，引起巷道圍巖內(nèi)內(nèi)部高應力向深部轉(zhuǎn)移，從而使巷道圍巖處于低應力區(qū)。

煤層大直徑深孔卸壓參數(shù)參考中華人民共和國國家標準GB/T 25217.10-2019《煤層鉆孔卸壓防治方法》，并結合I020908工作面現(xiàn)場條件確定。

1) 鉆孔深度：由于所采9號煤層厚度為3.17 m，確定大直徑鉆孔卸壓深度15 m。

2) 鉆孔間距：卸壓鉆孔間距確定根據(jù)下式計算：

式中：D為卸壓鉆孔間距，m；k為卸壓鉆孔間距危險性修正系數(shù)；d為卸壓鉆孔施工鉆頭直徑，m；K為變形模量指數(shù)，為安全起見，此處取10。

根據(jù)不同區(qū)域的沖擊危險程度，同時結合現(xiàn)場鉆孔施工工藝，確定I020908工作面中等和弱沖擊危險區(qū)域的大直徑鉆孔間距分別為1.6 m和2.4 m?？卓诟叨纫话銥?.5 m，鉆孔直徑為150 mm。鉆孔具體參數(shù)如表3所示。

表3 巷道回采幫卸壓鉆孔參數(shù)

另根據(jù)I020908工作面鄰近的鉆孔柱狀圖分析，煤層垮落帶范圍內(nèi)并無明顯的厚層堅硬巖層存在，但不排除存在局部頂板厚度變化區(qū)域。因此，在工作面回采時，加強對頂板活動情況的監(jiān)測，當工作面后方出現(xiàn)大面積懸頂?shù)惹闆r，及時采取頂板預裂處理。

5 沖擊地壓防治效果

將該防治預警系統(tǒng)和防治技術應用于I020908工作面工程實踐，回采期間鉆屑量的變化如圖6所示。

圖6 回采期間巷道鉆屑量變化情況

截至目前，I020908工作面已回采結束，通過采取卸壓措施，采動應力和鉆屑量均低于預警臨界值且未發(fā)生沖擊地壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，安全通過了初次來壓、見方及斷層等危險區(qū)域，累計生產(chǎn)原煤146萬t，取得了良好的經(jīng)濟效益。

6 結 語

1) 基于工作面工程地質(zhì)條件和現(xiàn)場實際調(diào)研情況，分析了I020908工作面誘發(fā)沖擊地壓的主要影響因素。

2) 基于FLAC3D模擬軟件，分析了孤島工作面應力分布特征，確定了沖擊危險區(qū)域。

3) 提出了以“采動應力和鉆屑法監(jiān)測”為基礎、“煤層大直徑鉆孔卸壓”為措施的綜合預警防治技術，有力保證了孤島工作面的安全回采。